第2章 直流电动机的电力拖动

2.2生产机械的负载转矩特性生产机械的转速n与其负载转矩TL

之间的关系称为负载转矩特性n=f（TL

）

。生产机械的种类很多，它们的负载转矩特性也各不相同，但可以大致归纳为以下三种类型：1、恒转矩负载特性负载转矩TL的大小为一恒定值，与转速n无关，这种特性称为恒转矩负载特性。恒转矩负载又可分为反抗性恒转矩负载和位能性恒转矩负载两种。（1）反抗性恒转矩负载特性（2）位能性恒转矩负载特性

正方向规定

2、恒功率负载特性

恒功率负载的特点是负载的功率为一恒定值,这时负载的功率值为

PL=TLΩ=TL=常数

负载的转矩TL与转速n成反比。转速升高时,负载转矩减小；转速降低时,负载转矩增大,负载功率不变。如车床的切削加工,粗加工时,切削量大,切削阻力大,负载转矩大,用低速切削；精加工时,切削量小,切削阻力小,负载转矩小,用较高的速度切削，从而保持负载功率恒定。恒功率负载特性如图所示。

3、通风机型负载特性 风机、水泵和油泵等通风机型负载的特点是,负载转矩的大小与转速的平方成正比,即TL=Kn2,式中K为比例常数。通风机型负载特性如图所示。

以上所述的三种负载特性是从实际中概括出来的比较典型的负载转矩特性。实际的负载转矩特性往往是几种典型特性的综合。例如实际鼓风机,除了有风机负载特性外,轴上还有一个磨擦转矩,为反抗性的恒转矩,所以实际的鼓风机负载转矩特性应为风机负载转矩特性与恒转矩负载特性的组合。2.3他励直流电动机的机械特性机械特性是指电动机的电枢电压U、气隙磁通Φ及电枢电路总电阻R为恒定值时，电动机的转速n与电磁转矩T的关系曲线，即

n=f（T）。2.3.1他励直流电动机的机械特性方程式图2-8是他励直流电动机的接线图。根据KVL可列出电动势平衡方程式为U=Ea+Ia(Ra+Rpa)=Ea+IaR将Ea=CeΦn代入上式可得转速特性方程式为电枢电路外串电阻根据T=CTΦΙa，得Ιa=T/CTΦ，代人上式可得机械特性方程式为：电枢电路总电阻由上式可见，当U、Φ、R为恒定值时，机械特性曲线n=f(T)是一条向下倾斜的直线，如图2-9所示。上式又可改写为：n=n0-βT=n0-Δn式中：n0——理想空载转速,即T=0时的转速,n0=U/(CeΦ)。电动机在实际空载状态运行时,虽然轴上的输出转矩T2=0,但电动机还必须克服空载阻转矩T0,使T=T0≠0。

所以实际空载转速n0′略低于理想空载转速n0

β——机械特性的斜率,β=R/(CeCTΦ2)。β值越小,直线的倾斜度越小,转速随转矩的变化越小,机械特性越硬;β值越大,直线的倾斜度越大,机械特性越软。机械特性的软硬是相对的,没有严格的界限。

Δn——转速降,Δn=RT/(CeCTΦ2)=βT。β值越大,在相同的电磁转矩下,转速降也越大,电动机的转速也就越低。

2.3.2他励直流电动机的固有机械特性

当电动机的电源电压U=UN,每极磁通Φ=ΦN,电枢电路不串入附加电阻,即Rpa=0时的机械特性,称为固有机械特性。根据式（2-6）可得固有机械特性的方程式为：

固有机械特性曲线如图2-10所示,由于电枢电路没有串入附加电阻,而电枢绕组的电阻值Ra较小,特性曲线的斜率较小,因此他励直流电动机的固有机械特性曲线较硬。

2.3.3他励直流电动机的人为机械特性

人为地改变电源电压U、每极磁通Φ和电枢电路串接的附加电阻Rpa三个量中的任意一个量，得到的机械特性称为人为机械特性。

1．电枢电路串电阻时的人为机械特性 电枢电路串电阻时的人为机械特性是指保持电源电压U=UN,每极磁通Φ=ΦN,在电枢电路串接附加电阻Rpa时的机械特性。其机械特性方程式为

与固有机械特性相比较可知,理想空载转速n0不变,特性曲线的斜率β增大,转速降增大。Rpa越大,β和Δn也越大,特性曲线变软。机械特性如图2-10所示。2．改变电压时的人为机械特性改变电压时的人为机械特性是指保持每极磁通Φ=ΦN，电枢电路不串接附加电阻（Rpa=0）,仅改变（降低）电压时的机械特性。其机械特性方程式为由于受电动机绝缘强度限制,改变电压时,仅限于在额定电压的基础上降低电压,因此该人为特性与固有机械特性相比,理想空载转速n0随电压U的降低成正比降低,特性曲线的斜率β不变。机械特性如图2-11所示。3．改变磁通时的人为机械特性 改变磁通时的人为机械特性是指保持电源电压U=UN,电枢电路不串附加电阻（Rpa=0）,减小磁通Φ时的机械特性。其机械特性方程式为

由于电动机在设计制造时,磁通Φ已接近于饱和,不容易增加,磁通一般只能在额定值的基础上减弱,因此该人为特性与固有机械特性相比,理想空载转速n0随磁通Φ的减小而升高,斜率β随磁通Φ的平方成反比地增大,机械特性变软。不同磁通时的机械特性如图2-12所示。2.3.4电力拖动系统稳定运行的条件 电力拖动系统是由电动机和生产机械负载构成的,在分析电力拖动系统的运动情况时,应将电动机的机械特性和负载的转矩特性结合起来。通常是把电动机的机械特性和负载转矩特性画在同一直角坐标系内,如图2-13所示。

图中：直线1为恒转矩负载特性，直线2为电动机的机械特性，

A点称为平衡点。

值得注意的是，仅根据T=TL还不能说明系统一定能够在该点稳定运行，这是因为实际的电力拖动系统运行时，经常会出现一些小的干扰，如电源电压和负载转矩的波动等。

所谓稳定运行，就是指电力拖动系统在某种外界因素的扰动下，离开原来的平衡状态，能够到达新的平衡状态；当“扰动”消失后，仍能恢复到原来的平衡状态。 在电力拖动系统中,电动机的机械特性与负载转矩特性有交点,即T=TL仅是系统稳定运行的必要条件,但还不够充分。可以证明,电力拖动系统稳定运行的充分必要条件是

在实际中可用式（2-12）判断系统的稳定性,满足此条件,系统就是稳定的,否则系统就是不稳定的。

（2-12）

(在T=TL处) 如图2-14所示的系统中,恒转矩负载特性与下降的电动机机械特性配合,在两线的交点A处,dT/dn<0,即T增加时n减小,而负载转矩为常数,dTL/dn=0,所以在交点A处,系统能稳定运行。 在电力拖动系统中,电动机的机械特性与负载转矩特性有交点,即T=TL仅是系统稳定运行的必要条件,但还不够充分。可以证明,电力拖动系统稳定运行的充分必要条件是

在实际中可用式（2-12）判断系统的稳定性,满足此条件,系统就是稳定的,否则系统就是不稳定的。

（2-12）

(在T=TL处) 如图2-15所示的系统中,在交点A处,电动机机械特性曲线上翘,dT/dn>0,负载仍为恒转矩,dTL/dn=0,因此dT/dn>dTL/dn,不符合上述稳定运行的条件,系统不能在A点稳定运行。2.4他励直流电动机的启动和反转启动：电动机从静止状态到稳定运行状态的过程称为启动。电力拖动系统对直流电动机启动的要求：

（1）启动电流在允许的范围内。

（2）启动转矩Tst>TL。

（3）启动时间短，符合生产技术要求。（4）启动设备简单、经济、可靠，操作方便。

2.4.1他励直流电动机的启动

1．全压启动 全压启动是在电动机电枢上直接加额定电压进行启动,也称直接启动。

注意：他励直流电动机启动时，应首先给电动机励磁绕组通入额定的励磁电流，以便在气隙中建立额定的磁通，然后再接通电枢电路的电源。

在启动开始瞬间,因转速n=0,电枢电动势Ea=CeΦn=0,所以启动瞬间的启动电流为：

由于电枢电阻Ra较小，全压启动的启动电流可达10～20倍的额定电流，大的启动电流产生较强的火花，甚至产生环火，烧坏换向器和电刷，而且这个瞬间，启动电流产生大的启动转矩Tst=CTΦIst，使拖动系统受到冲击，损坏拖动系统的传动机构。所以只有小容量（几百瓦）的电动机允许全压（直接）启动。一般允许直流电动机的启动电流Ist=(1.5～2)IN，为此，对于大容量的直流电动机，在启动时必须限制启动电流，常用的方法是降低电源电压或在电枢电路串电阻。

2．降压启动 启动瞬间，把加于电枢两端的电源电压降低，以减小启动电流Ist的启动方法。接线如图所示。 启动时,先接通励磁绕组电源,并将励磁电流调到额定值,然后由低向高调节电枢绕组电压。开始时,加到电枢两端的电压应使得电枢电路的电流Ist不超过（1.5～2）IN,电磁转矩Tst＞TL,电动机开始启动,随着转速的升高,Ｅa也逐渐增大,电枢电流减小,电磁转矩也相应减小。为保证启动过程中有足够大的电磁转矩,电压必须不断地提高,直到U=UN。 降压启动时的机械特性如图所示。电动机将沿图中的a→b→c→…→k→加速到p点,电动机进入稳定运行,启动过程结束。降压启动时启动电流小，启动过程中能耗小，启动平稳，便于实现自动化。缺点是需要有专用电源，设备投资大。

3．电枢电路串电阻启动 启动时,电枢串接适当的启动电阻Rst,将启动电流Ist限制在允许范围Ist=（1.5～2）IN。随着启动过程的进行,逐级切除启动电阻,直到全部切除为止,启动过程结束。图2-17电枢电路串电阻启动时的接线图及机械特性

(a)接线图(b)机械特性2.4.2他励直流电动机的反转

1)改变励磁电流的方向保持电枢绕组两端电源电压的极性不变,将励磁绕组反接,使励磁电流反向,从而改变磁通Φ的方向。

2)改变电枢绕组两端电源电压的极性保持励磁绕组的电压极性不变,将电枢绕组反接,使电枢电流改变方向。

由于励磁绕组的匝数多，电感大，电磁惯性较大，为了实现电动机高效、快速地反转，往往采用电枢反接的方法

。2.5他励直流电动机的调速

调节生产机械的转速有两种方法：

(1)改变机械传动机构的速比,从而调节生产机械的转速,这种方法称为机械调速。

(2)改变电动机的电气参数,以改变电动机的转速,从而调节生产机械的转速,这种方法称为电气调速。

电气调速是指在负载转矩不变的条件下,通过人为地改变电动机的有关参数,调节电力拖动系统的转速。根据他励直流电动机的机械特性方程式

由特性方程可知，改变以下三项参数可改变电动机的转速。电枢回路串接的附加电阻：Rpa电枢两端的电压：U气隙磁通：Φ

2.5.1调速指标2.5.2他励直流电动机的调速方法

1．电枢电路串电阻调速 电枢电路串电阻调速是指保持电源电压U=UN,励磁磁通Φ=ΦN,通过在电枢电路串接电阻Rpa进行调速。

电枢电路串电阻调速的特点： （1）转速只能从额定值往下调。转速越低，机械特性越软，负载波动时转速的稳定性越差。因此调速范围较小，一般情况下D=1～3。

（2）调速电阻Ｒpa中有较大电流Ia流过，消耗较多的电能，不经济。 （3）调速电阻Rpa不易实现连续调节，只能分段有级调节，调速平滑性差。 （4）在各种转速下，能输出相同的转矩，属于恒转矩调速。（5）调速设备投资少，方法简单。应用场合:调速性能要求不高的生产机械——起重机

例2.1一台他励直流电动机,其铭牌数据为PN=22kW,UN=220V,IN=115A,nN=1500r/min,已知电枢电阻Ra=0.1Ω,电动机拖动额定恒转矩负载运行,若采用电枢串电阻的方法将转速降至1000r/min,应串多大的电阻？

解根据他励直流电动机的电动势平衡方程式,可得额定运行时电枢电动势为

EaN=UN-INRa=220-115×0.1=208.5V 根据Ea=CeΦn,由于串电阻调速前后的磁通Φ不变,因此调速前后的电动势与转速成正比,故转速为1000r/min时的电动势为

根据T=CTΦIa,由于调速前后的磁通Φ不变,T=TL未变,因此调速前后的电枢电流Ia=IN不变,故串电阻调速至1000r/min时的电动势平衡方程式为

UN=Ea+IN(Ra+Rpa)

所串电阻为

2.降低电枢电压调速降低电枢电压调速是指保持磁通Φ=ΦN,且电枢电路不串接附加电阻（Ｒpa=0）,通过降低电枢两端电压U进行调速。

降低电枢电压调速的特点：（1）转速只能从额定值往下调。调速前、后机械特性的硬度不变，静差率较小，调速的稳定性好，因此调速范围大。 （2）当电枢电压连续可调时，转速也连续可调，可实现无级调速。 （3）功率损耗小,效率高。 （4）在各种转速下，能输出相同的转矩，为恒转矩调速。（5）调压电源设备的费用较高。应用场合:调速性能要求较高的生产机械——机床

例2.2

在例2.1的他励直流电动机中,参数不变,若采用降低电源电压的方法进行调速,将转速调至1000r/min,电源电压应为多少伏？

解由例题2.1的计算可知,采用降低电压的方法把转速降至1000r/min时,电枢电动势Ea=139V,T=TL未变,电枢电流Ia=IN,故转速降到1000r/min时的电压为

U=Ea+INRa=139+115×0.1=150.5V

3．弱磁调速 弱磁调速是指保持电动机的电枢电压U=UN，电枢电路不串接附加电阻（Ｒpa=0），通过减小磁通Φ进行调速。

弱磁调速的特点： （1）转速只能向上调,由于转速受换向条件及机械强度的限制,因此调速的范围不大，一般D=1～2。

（2）机械特性稍有变软,静差率δ基本保持不变,转速稳定性好。 （3）励磁电流较小,便于连续调节,调速平滑,可实现无级调速。（4）调节励磁的可变电阻器功率较小,所以电能损耗小。 （5）在各种转速下,能输出相同的功率,为恒功率调速。

（6）调速设备投资小,控制和维护方便,较为经济。

例2.3

在例2.1中,电动机参数不变,如果采用弱磁调速,将磁通Φ降至0.8ΦN时,试求：

(1)Φ减少瞬间的电枢电动势和电枢电流；

(2)调速后的稳定转速。 解(1)弱磁调速瞬间,转速n=nN不变,Φ减小,根据Ea=CeΦn可知电动势Ea与磁通Φ成正比,故磁通Φ降至0.8ΦN瞬间的电动势为

根据弱磁调速瞬间的电动势平衡方程式 得弱磁瞬间的电枢电流为

由上式结果可知,弱磁调速瞬间磁通只减小到原来的0.8倍,却使电枢电流变得很大,是原来的532/115≈4.6倍。(2)弱磁调速后稳定运行时,T=TL。 由于：T=CT0.8ΦNIa′,TL=TN=CTΦNIN因此两式相等,得稳定运行时的电枢电流 根据稳定运行时的电动势平衡方程式 得稳定运行时的电枢电动势

Ea′=UN-Ia′Ra=220-143.75×0.1≈205.63V

由于：Ea′=Ce0.8ΦNn′,EaN=CeΦNnN

因此两式相比,得稳定运行时的转速三种调速方法的比较调速方法改变的参数特点串电阻电枢电路串接电阻,减小Ia向下调速，特性变软,低速稳定性更差,耗能多,调速范围小,恒转矩调速调压降低电枢电路电压向下调速，特性硬度不变,稳定性好,耗能少,调速范围较大,恒转矩调速调磁励磁电路串接电阻,减小If,减小Φ向上调速，特性硬度变化不大,稳定性好,耗能少,调速范围较小,如保持Ia不变,为恒功率调速

4.他励直流电动机调速时的允许输出 电动机允许输出的转矩和功率是表示它在调速时所具备的带负载的能力,其前提条件是合理使用电动机,即在使用电动机时,既要使它得到充分利用,又要保证它的使用寿命。为了合理使用电动机，应保证电动机长期运行时的电流Ia=IN。下面分析不同调速方法时的允许输出：

1）电枢串电阻调速和降低电枢电压调速 当他励直流电动机采用电枢串电阻调速和降低电枢电压调速时,因为Φ=ΦN不变,在Ia=IN的条件下,电磁转矩T=CTΦNIN=TN不变,与n无关，所以电动机的允许输出转矩也不变，属于恒转矩调速方式。这时允许输出的功率（近似为电磁功率）则与转速n成正比。

根据得

2）弱磁调速 当他励直流电动机采用弱磁调速时,U=UN,Φ是变化的,若保持Ia=IN不变,则Φ与n有如下关系： 式中,Ｃ1=(UN-INRa)/Ce为常数。电磁转矩可表示为 式中,C2=C1CTIN为常数。该式表明T与n成反比变化。 故电动机的电磁功率可表示为

由以上分析可知，弱磁调速时电动机的电磁功率保持不变，允许输出的功率也保持不变，与转速n无关，属于恒功率调速方式。这时允许输出的转矩（近似为电磁转矩）则与转速n成反比。根据Ea=CeΦnU=Ea+IaRa2.6他励直流电动机的制动

为了使电动机在停车时能迅速停止，需要对电动机进行制动。

制动方法一般分为机械制动和电气制动。机械制动是利用摩擦力产生阻转矩来实现的，如电磁抱闸。电气制动实质上是在电动机停止旋转过程中产生一个和实际旋转方向相反的电磁转矩，来迫使电动机迅速停止旋转的方法。常用的电气制动方法有：能耗制动、反接制动和回馈制动三种。2.6.1能耗制动制动方法：把正处于电动运行状态的电动机电枢绕组从电网上断开，并立即与一个附加制动电阻Rbk

相连接构成闭合电路。能耗制动又可分为能耗制动停车和能耗制动运行。在电路切换的瞬间，由于机械惯性作用，电动机仍按原来的方向旋转。由于磁通方向不变，因此电枢电动势Ea的方向也不变，电动机此时作发电机运行，电枢电流方向及其产生的电磁转矩的方向都改变了，使电磁转矩的方向与转速方向相反，成为制动转矩。在制动转矩的作用下,电动机转速迅速下降,当n=0时,Ea=0,Ia=0,T=0,制动过程结束。在制动过程中，电动机将生产机械储存的动能转换为电能消耗在电阻（Ra+Rbk）上，所以这种制动方式称为能耗制动。能耗制动时,U=0,Φ=ΦN,R=Ra+Rbk,其机械特性方程式为： 由上式可知其机械特性曲线为一条通过原点,位于第二象限的直线,如图2-22所示。

能耗制动的特点：方法比较